fpga16_instrument [电子森林]

口袋仪器的3D效果图

它的核心是一个基于Lattice的XO2、自带下载器的FPGA最小系统模块，做了一个简单的扩展板，主要支持以下的功能：

输入/输出：
1. 单色的OLED显示，128*64分辨率，是一块非常流行、常用的显示屏幕，采用了SPI接口方式对其进行控制，掌握SPI控制时序的逻辑编写以及点阵显示屏的字符显示、图形化显示以及波形刷新等方面的技能；
2. 4个功能按键，使用者可以根据自己的操作来自行定义 - 理解处理器对外界事件的响应、按键的消抖处理等；
与仪器相关的功能：
1. 设置了2路可调电压输出 - 每一路都可以从-3V 到+3V进行电压调节，负载能力为20mA，用以日常的实验足够，可以给电路提供电压源，也可以为模拟电路提供直流偏置。总计6V的变化范围受限于供电电源的设计，如果要获得更大范围的电压调节，可以重新设计供电电压源，但工作原理是一样的。此功能的主要目的是让大家通过运算放大器的工作了解其具体的应用以及特性，PWM的工作原理及应用；
2. DDS任意信号发生器输出 - 可以得到100KHz的任意波形输出，信号幅度设定为最大5Vpp，产生的信号的直流偏移可以在数字域来进行设置，此功能的主要目的是为了让大家了解DDS信号产生的原理、PWM用做DAC时的灵活性及局限性以及运算放大器的具体应用；
3. 电压表的功能 - 可以通过比较器和FPGA的逻辑构建ADC的功能，采集到DC到1KHz/最高3.3V的信号，通过这个功能掌握ADC的工作原理、用最简单的器件实现对模拟信号的量化处理、通过逻辑实现数字滤波器等；
4. 频率计 - 可以支持到200MHz的频率，这是一个很简单的逻辑功能，但配合外部的高速比较器、按键操作、OLED显示，构建一个非常实用的功能；

FPGA简易口袋仪器原理图

在这个平台上主要用到PWM来完成所有的功能，因为PWM + 由电阻、电容构成的低通滤波器（LPF）能够实现DAC的功能，也就是可以将变化的数字信息转换为变化的模拟信号：

在任意波形发生器中，可以通过PWM+LPF将DDS生成的任意波形信号(数字）转换为模拟信号，模拟波形的频率和幅度都可以通过数字的方式进行调节生成；
在实现可编程直流电压输出时，可以通过PWM的占空比 + LPF得到直流电压，其实直流电压本质上也是任意波形的一种；
ADC的实现实质上是在某一时刻将输入的模拟信号跟某一个特定值的电压进行比较，通过其处的电压区间来确定该输入信号在该时刻的电压值，被用来做比较的电压可以由PWM来生成；
频率计/计数器中，外部输入的被测信号其幅度的变化范围比较宽，需要通过高速的比较器对其进行整形，生成0、1高低电平，而比较器的另一个输入端为可变的直流电压，以适应不同幅度和直流偏移的输入信号，该可变的直流电压就可以通过PWM来产生

PWM的产生请参见文章：PWM的应用及相应的Verilog代码，由该文章得知，通过Sigma Delta的方式产生的PWM具有较好的频率特性，比较容易通过简单的低通滤波器滤除掉高频的脉冲信号，尤其是占空比约接近50%，输出信号其直流分量将约远离PWM的高频脉冲。因此在实际的使用中，我们一般避免将占空比用到0%或100%，比如可以从10% - 90%之间变化，经过低通滤波器平滑输出后的直流在3.3*10% ~ 3.3 * 90% - 0.33V - 2.97V

在生成PWM的波形的时候要充分理解PWM的时序关系，见下图：

PWM的时序关系

t为生成PWM信号的主时钟，通过对这个高频时钟计数，得到一个周期T内电平进行0、1反转的脉宽不同的信号。一个T内有多少个t，也就决定了PWM的分辨率，转换到模拟信号的时候也就对应于DAC的位数。根据最高频率/分辨率，也就可以推算出T的最小值。

比如采用12MHz（t=83ns）的时钟作为PWM的主时钟，如果要生成8位精度的DAC，对应的一个PWM周期T ～ 12MHz/256 = 21μs，最高的频率为47KHz 如果通过FPGA内部PLL产生高倍频的时钟，比如12M * 16 ～ 192MHz，生成8位精度的DAC，其最高频率可以达到47KHz * 16 同样192MHz的主时钟来产生12位精度的DAC，则能够生成PWM信号的频率为47KHz

本平台采用了128*64分辨率的OLED显示屏，并有4个按键进行参数的设置或菜单的控制，这些按键的功能可以根据自己的需要进行定制。

OLED显示屏的控制参见用Verilog控制128*64分辨率的OLED显示屏

参见：通过PWM生成任意波形模拟信号

参见：通过PWM生成可调直流电压